Présentation et mise en œuvre du système de mesure CLIO

AFDERS Confidences N°104 1
_________________________________________________________________________________________
Présentation et mise en œuvre
du système de mesure CLIO "Pocket"
Lors de la séance technique du 20 juin 2015, un système de mesure CLIO a été mis en
œuvre sur un système à quatre canaux constitué d'enceintes Kef LS50. Ce système de
mesure conçu par la société italienne Audiomatica n'est pas nouveau, étant apparu il y a plus
de 20 ans. Ce qui l'est, c'est sa livraison depuis début avril 2015 sous une forme simplifiée,
se branchant sur tout ordinateur PC ou Mac disposant d'une prise USB. L'objet de la séance
était donc de présenter cet appareil, d'évaluer son adaptation aux besoins d'un membre
Afders représentatif, et par la même occasion d'évaluer l'installation à quatre canaux frontaux
de notre secrétaire général, constituée de deux amplificateurs stéréophoniques Flying Mole
couplés et de quatre enceintes Kef LS50.
Principe du système de mesure CLIO
On a présenté il y a un peu plus de 20 ans, dans le numéro 51 de ce bulletin, le système de
mesure Kemsonic piloté par ordinateur, émettant des fréquences glissantes ou hululées (en
1/3 octave) et capable de mesurer bandes passantes, courbes d'impédance et temps de
réverbération, et de déterminer les paramètres (dits de Thiele et Small) des haut-parleurs.
Ce système fonctionnait sous le système d'exploitation DOS, ce qui présentait quelques
inconvénients pour un utilisateur de Windows ou de Macs récents, sans compter son
branchement sur des standards de prises ayant disparu des ordinateurs. En outre, le
système ne permet pas d'évaluer la réponse impulsionnelle, l'évolution de la réponse d'un
système dans le temps (courbes "waterfall"), et encore moins d'éliminer l'influence du local.
Une mise à jour s'imposait donc. Le système CLIO était tout indiqué, mais il était plus
puissant que nécessaire et un peu cher pour un simple amateur de haute fidélité. La mise sur
le marché début 2015 d'une version simplifiée1, compatible Mac et PC et destiné à être
branchée sur une prise USB, a été le déclencheur conduisant le signataire de ces lignes à
procéder à une mise à jour de son système de mesure. Un petit Mac portable et un
ensemble interface plus micro encore moins encombrante : voilà tout ce qui est nécessaire.
Chacun sait que par une simple transformée de Fourier, la connaissance de la réponse d'un
système à une impulsion permet d'en déduire sa réponse en fréquence, et vice-versa. Dès
lors que l'on dispose de la réponse à une impulsion, il est possible de détecter les réflexions
dues au lieu d'écoute, de les éliminer, et par conséquent d'accéder à une évaluation du
produit en test, indépendante du lieu d'écoute. Rien n'étant gratuit toutefois, cette opération
aura des conséquences sur la précision de cette évaluation dans le grave, en fonction de la
quantité des informations qui auront ainsi été éliminées.
Il y a toutefois un problème : pour obtenir la meilleure précision de mesure et la plus grande
bande passante, il faut une impulsion parfaite de durée aussi courte que possible : comment
alors émettre suffisamment d'énergie ? L'énergie, c'est une puissance (une énergie par unité
de temps), que multiplie une durée. Si la durée est infiniment faible, il faut une puissance
infiniment grande. On imagine que les capacités de l'amplificateur, voire des haut-parleurs,
seront vite dépassées.
C'est là que les ressources des mathématiques et de l'informatique viennent à notre
rescousse : le système CLIO met traditionnellement en œuvre un signal MLS (Maximum
Length Sequence) ou encore, en gaulois, "séquence de longueur maximale", ce qui ne nous
1
: Disponible auprès de la société Tecsart, située à Bussy St-Georges, pour la somme de 600 Euros (logiciel,
interface, câbles et microphone inclus).
2
AFDERS Confidences N°104
_________________________________________________________________________________________
avance pas beaucoup. Cette séquence est caractérisée par une répartition spectrale plate;
elle s'apparente donc au bruit blanc. Il s'agit cependant d'une séquence pseudo-aléatoire,
donc parfaitement définie. L'élimination du caractère aléatoire de cette séquence garantit
donc la reproductibilité des mesures et l'inutilité de procéder à plusieurs mesures pour en
faire la moyenne et en augmenter ainsi la précision.
Il n'entre pas dans notre objectif de présenter la définition mathématique de cette séquence
numérique de 0 et de 1. Il nous suffira d'indiquer qu'elle a été définie de sorte que sa fonction
d'autocorrélation soit une impulsion parfaite. Par conséquent, l'analyse de la corrélation entre
signal mesuré en sortie d'un appareil et signal injecté en entrée permet de déterminer la
réponse de l'appareil à cette impulsion, une transformée de Fourier de cette réponse donnant
la fonction de transfert et donc la réponse en fréquence de l'appareil, selon une démarche
illustrée par la figure 1, extraite de l'article "The MLS analysis technique and Clio", disponible
sur le site de Audiomatica :
Figure 1 – Principe
de la mesure MLS
mise en œuvre sur
le système CLIO.
Le "DUT" est le
"device under
test", c'est à dire
l'appareil soumis
au test. "FFT"
signifie "fast
Fourier transform",
c'est à dire
transformée de
Fourier rapide.
Ceci étant précisé, la version CLIO Pocket n'utilise pas un signal de type MLS, mais un
signal de type "Chirp" (que l'on pourrait traduire par "gazouillis", et c'est effectivement ce que
l'on entend lors du test). Ce type de signal a été développé, notamment pour les utilisations
radar ou sonar, avec l'objectif d'améliorer le rapport signal/bruit. Un chirp est par définition un
signal pseudo-périodique modulé en fréquence et/ou en amplitude. Ayant une distribution
spectrale naturelle s'apparentant au bruit rose, il procure un meilleur rapport signal/bruit dans
les basses fréquences.
Comme l'indique le schéma de principe de la figure 22, cette technique permet d'accéder au
même type d'information que le signal MLS : on retrouve ici encore la comparaison (qui n'est
plus une "cross-correlation") entre signal de référence et signal ayant traversé l'appareil en
test et plusieurs transformées de Fourier permettant de passer de la réponse en fréquence à
la réponse impulsionnelle (au lieu d'un passage de la réponse impulsionnelle à la réponse en
fréquence dans le cas du signal MLS), cette dernière ouvrant la possibilité d'un fenêtrage
(windowing) permettant d'éliminer l'influence du local…
2
: Extraite de l'article "Swept Sine Chirps for Measuring Impulse Response" de Ian H. Chan, téléchargeable à
l'adresse http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/SR1_SweptSine.pdf. La mise en œuvre
dans CLIO Pocket peut être légèrement différente.
AFDERS Confidences N°104 3
_________________________________________________________________________________________
Figure 2
Dans la version 10 de CLIO, les deux options MLS et Chirp peuvent être retenues et le mode
d'emploi développe les avantages et inconvénients des deux options. Dans la version
simplifiée Pocket, seule la seconde a été conservée au vu de ses avantages.
Parmi les avantages revendiqués figure la possibilité de repérer les harmoniques dans la
queue de la réponse impulsionnelle, ouvrant la voie à la mesure de la distorsion en fonction
de la fréquence, non encore implémentée à ce jour.
Une petite remarque en passant : la documentation et le mode d'emploi sont en anglais, ce
qui implique de l'utilisateur une maîtrise minimale de la langue de Shakespeare. On notera
également que ce mode d'emploi, intitulé d'ailleurs "Survival Guide" ou guide de survie, se
limite à introduire à l'utilisation de cet outil et ne fait qu'en effleurer les possibilités.
Présentation du système CLIO Pocket
Le système de mesure Clio Pocket se
présente sous la forme d'une petite
mallette comportant (figure 3) : une
interface avec une prise USB de type
"B" d'un côté et deux prises RCA "in" et
"out" de l'autre, un CD comportant le
logiciel et le mode d'emploi sous la
forme d'un fichier PDF, un microphone
étalonné, un câble USB, un câble RCA
de 3m de longueur pour la connexion
au microphone et un câble avec prise
RCA d'un côté et pinces crocodile de
l'autre pour les mesures d'impédance.
Figure 3
4
AFDERS Confidences N°104
_________________________________________________________________________________________
L'installation
s'effectue
sans difficulté. Au lancement du programme,
l'écran illustré figure 4
apparaît. En haut, des
icônes permettent de
définir
les
différents
paramètres de mesure,
l'ouverture,
l'enregistrement, l'impression ou
l'exportation des fichiers,
les options de présentation, le choix des
différents
types
de
mesure.
Figure 4
En dessous et à droite apparaissent les résultats de mesure, le réglage des caractéristiques
et des niveaux des signaux injectés, la bouclage entre entrée et sortie de l'interface (pour les
mesures d'impédance), l'alimentation du microphone, l'inversion de polarité, le lancement du
processus de mesure.
Après calibration et introduction de la valeur de sensibilité du micro, indiquée sur une fiche
accompagnant le microphone, il est temps de procéder à quelques mesures.
Mise en œuvre pratique du système CLIO Pocket
Le système de mesure fut connecté à
MacBook Pro (Figure 5). Il est ici
configuration mesure d'impédance.
microphone est encore dans son tube
plastique en arrière plan.
un
en
Le
de
En premier lieu, nous avons procédé à la
mesure d'impédance des enceintes. Le
système
évalué
comporte
quatre
enceintes frontales Kef LS50 : deux
situées en partie basse, proches des
encoignures droite et gauche de la pièce,
deux situées en hauteur dans les
encoignures hautes droite et gauche. On
voit sur la figure 6 la configuration de
mesure de l'impédance de l'enceinte
basse gauche (l'interface Clio est visible
en bas et à droite de la photo).
Figure 5
AFDERS Confidences N°104 5
_________________________________________________________________________________________
Figure 6
La mesure d'impédance de l'enceinte Kef LS50
positionnée à droite et en position basse est
indiquée figure 7, pour trois configurations d'évent
: évent ouvert (courbe rouge), évent à demi-obturé
par un anneau de mousse (courbe noire), et évent
obturé avec un bouchon de mousse (courbe
bleue).
On note un accord bass-reflex situé relativement
bas et la possibilité de choisir un comportement de
type bass-reflex, enceinte close (courbe bleue), ou
intermédiaire, en fonction des nécessités de
l'adaptation à la pièce. En l'occurrence, ces
enceintes sont exploitées après écoute avec un
évent semi-obturé et les courbes suivantes ont été
obtenues dans cette configuration.
Figure 7
La mesure d'impédance de l'enceinte Kef LS50 située en position basse, à gauche, est
comparée figure 8 à celle de l'enceinte précédente, dans la configuration habituelle, à savoir
évent semi-obturé : la courbe bleue correspond à l'enceinte droite/bas, et la courbe rouge à
l'enceinte gauche/bas. On note une bonne reproductibilité des caractéristiques. Afin de juger
de l'influence d'un rideau situé d'habitude derrière l'enceinte, une mesure est également
effectuée rideau en place : l'effet du rideau apparaît être négligeable (la courbe noire est
superposable à la courbe rouge).
6
AFDERS Confidences N°104
_________________________________________________________________________________________
Figure 8
Les courbes de réponse sont effectuées en branchant l'amplificateur (ici des modèles Flying
Mole) à la sortie "out" de l'interface, et en branchant le microphone à l'entrée "in". Le niveau
est réglable par le logiciel ainsi qu'au niveau de l'amplificateur. Il a été procédé à une
première mesure, à 1m de l'enceinte droite située en partie basse : figure 9. Sur cette figure,
la courbe waterfall obtenue est également intégrée. On note une bonne régularité de la
courbe de réponse, le renforcement du grave apporté par le positionnement en encoignure,
et une réponse après excitation sans traînage ni tonique de coffret.
Figure 9
Cette même courbe de réponse est illustrée figure 10 en parallèle avec la réponse
impulsionnelle de l'enceinte. On note un décalage de 3ms entre l'envoi du signal et sa
réception, qui correspond bien à la distance à parcourir par le son entre le haut-parleur et le
microphone, ainsi que la grande propreté de la réponse impulsionnelle en comparaison à
d'autres produits, à imputer au crédit de la conception coaxiale des haut-parleurs.
AFDERS Confidences N°104 7
_________________________________________________________________________________________
Figure 10
Si l'on mesure la réponse de la même enceinte au point d'écoute, on obtient le résultat
indiqué figure 11, où la courbe à 3m (en noir) est comparée à la courbe à 1m (en rouge). On
note des différences dans le grave, dues à la différence d'excitation des modes de la pièce,
et l'atténuation régulière du niveau de l'aigu, due à l'absorption de l'air en fonction de la
distance. Ce type de réponse légèrement descendante dans l'aigu, correspondant aux
recommandations de la littérature.
Figure 11
La figure 12 donne les courbes de réponse des quatre enceintes Kef LS50 au point
d'écoute : enceinte gauche/bas : courbe rouge, enceinte droite/bas : courbe verte, enceinte
gauche/haut : courbe bleue, et enceinte droite/haut : courbe noire. On note l'excellente
régularité de ces courbes dans le médium-aigu et une bonne reproductibilité des réponses
au point d'écoute des quatre enceintes constituant le système.
8
AFDERS Confidences N°104
_________________________________________________________________________________________
Figure 12
Enfin, l'effet d'un panneau réflecteur disposé au dessus des enceintes droite et gauche
placées en hauteur a été caractérisé, figure 13, sur l'enceinte haute droite : avec panneau
réflecteur : courbe rouge, et sans panneau réflecteur : courbe noire. On note que l'effet du
panneau réflecteur/amortissant ne semble pas probant : il est faible et diminue plutôt la
régularité des courbes de réponse entre 400 et 1000Hz.
Figure 13
Les conclusions que l'on peut tirer de cet exercice sont, en premier lieu, s'agissant du
système de mesure CLIO Pocket, la facilité de mise en œuvre du système et sa bonne
adaptation aux besoins d'un amateur, certes passionné, ainsi que la facilité et la rapidité des
mesures effectuées et la qualité des informations obtenues. En deuxième lieu, s'agissant des
enceintes mesurées, on notera l'excellence des mesures obtenues, confirmées par quelques
écoutes effectuées en quatre canaux frontaux à partir de prises de son effectuées de
manière cohérente avec le système de reproduction.
JM. Grandemange.